鈦鋁合金（TiAl)粉末常見制備方法介紹

鈦鋁（TiAl）合金材料密度低，模量高，具有良好的高溫強度、抗蠕變性、抗氧化性、阻燃及較低的熱膨脹率和導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)異的性能，在汽車發(fā)動機增壓渦輪、航空航天發(fā)動機和火箭推進系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，是極具吸引力的新一代輕質(zhì)、高強、高溫結(jié)構(gòu)材料。

制備 TiAl 基合金粉末的方法主要有元素粉末法、預(yù)合金粉末法、機械合金化結(jié)合等離子體球化法等，以下將進行詳細闡述。

1.元素粉末法

元素粉末法是通過加入高純 Ti、Al 金屬粉末和其他合金元素，在一定條件下完成合金化的過程。元素粉末法制備 TiAl 基合金的成本低，易于添加各種合金

元素，成形性較好，但是雜質(zhì)含量較高。另外，粉末燒結(jié)過程中由于 Ti、Al 的擴散速率相差較大，容易產(chǎn)生Kirkendall 效應(yīng)，導(dǎo)致其燒結(jié)性能較差。

2.預(yù)合金粉末法

預(yù)合金粉末法制備的 TiAl 合金粉末成分均勻性好，雜質(zhì)(氧、氮)含量低且力學性能優(yōu)良。制備 TiAl預(yù)合金粉末的方法主要有惰性氣體霧化法(Gas Atomization，GA)、等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法(Plasma Rotate Electrode Pulverization，PREP)和射頻等離子體球化法(Radio Frequency，RF)等。

惰性氣體霧化法

GA 技術(shù)的基本原理是用超高速氣流將金屬液流破碎成細小的液滴并凝固成球形的粉末。GA 技術(shù)主要有冷壁坩堝等離子熔化感應(yīng)霧化(PIGA)、無坩堝電極感應(yīng)熔煉霧化(EIGA)、水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉(VIGA－CC)等方法。

Young－Kyun Kim等采用 PIGA 方法制備了Ti－48Al－2Cr－2Nb 預(yù)合金粉末，使用電子束熔煉(EBM)技術(shù)，成功制造了沒有開裂的 TiAl 基合金預(yù)制件?？祩ジ５炔捎?PIGA 工藝制備的預(yù)合金粉末顆粒細小，具有良好的球形度。

惰性氣體霧化法原理圖

等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法

PREP 法無坩堝，霧化氣氛為高純惰性氣體，所以制粉環(huán)境純凈無污染。相對于其他 GA 技術(shù)，PREP 法制備的 TiAl 基合金粉末具有更高的球形度、更好的流動性和更窄的粒度分布，且成本更低。此外，PREP 法制備的粉末幾乎沒有出現(xiàn)對最終構(gòu)件的疲勞性能有害的“衛(wèi)星粉末”和“中空顆粒”。

H. P. Tang等采用 PREP 法制備了球形度高、氧氮含量低的 Ti－45Al－7Nb－0.3W 預(yù)合金粉末，將其用于改進的 EBM 工藝，制備出了具有細小全片層組織，抗拉強度為2 750 MPa，應(yīng)變斷裂率達到 37%，無裂紋的 Ti－45Al－7Nb－0. 3W 合金。

等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法原理圖

射頻等離子體球化法

射頻(RF)等離子體具有較高的溫度，用等離子炬進行材料處理時，加熱和冷卻速度很快。其原理是載氣將粉末顆粒送入等離子炬，粉末顆粒迅速吸收熱量完成熔化，在其表面張力作用下形成小液滴，最后冷卻凝固成合金粉末。RF 是制備成分均勻、流動性好、球形度高和缺陷較少的 TiAl 基合金球形粉末的良好途徑。

路新等采用感應(yīng)熔煉、機械破碎、流化床氣流磨和射頻等離子體球化工藝制備出了 Ti－45Al－8. 5Nb－0. 2W－0. 2B－0. 02Y 合金粉末。經(jīng)測試表征后發(fā)現(xiàn)，該粉末平均粒度為 90 μm 且分布均勻細小，球形度較高，內(nèi)部組織無孔洞，但氧氮含量偏高。